一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及心率測(cè)量領(lǐng)域，特別是一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 心率可以從心電信號(hào)和脈搏中獲得。心電信號(hào)的采集需要借助專門的測(cè)量心電的 儀器獲得；脈率和心率在人體正常情況下是一致的，可以采用脈率來估測(cè)心率，如傳統(tǒng)的中 醫(yī)號(hào)脈、血壓計(jì)、指端脈搏傳感器以及一些光電智能脈搏測(cè)量?jī)x器。但是這些方法的共同點(diǎn) 是要求被測(cè)量者和儀器或者醫(yī)生有一定程度的物理接觸，這些接觸給測(cè)量帶了一定程度的 不便，也容易引起被測(cè)量者不適。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提出一種簡(jiǎn)化步驟、縮短用 時(shí)的基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法。
[0004] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，其特征在于：預(yù)先建立心率信 號(hào)模版Y，其余步驟如下：
[0006] 1)采集人臉視頻，而后選定人臉視頻中的臉部特定區(qū)域作為測(cè)量區(qū)域，再進(jìn)行 ROI分幀提取；
[0007] 2)對(duì)每幀提取出的ROI區(qū)域，進(jìn)行三基色分離，生成紅、綠、藍(lán)三通道圖像，并對(duì)該 幀圖像的各個(gè)通道圖像的所有像素值取均值，該均值作為該幀圖像在該通道的信號(hào)值，從 而生成測(cè)量區(qū)域圖像的三個(gè)通道的原始信號(hào)序列XjthXjt)和X B(t);
[0008] 3)將三個(gè)通道的原始信號(hào)序列XR(t)，Xe(t)和X B(t)分別進(jìn)行去線性化，再分 別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，確保每個(gè)通道的原始信號(hào)序列的幅度均在特定區(qū)間內(nèi)，而得到標(biāo)準(zhǔn)化后的
X(t)表示去線性化后的原始信號(hào)值，X(t)表示 原始信號(hào)序列的平均值，S表示原始信號(hào)序列的標(biāo)準(zhǔn)方差值；
[0009] 4)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后又(0、皂⑴、文(t)'與模板Y，分別尋求向量1與W y， 使得X，y在向量1和W ,上的投影X = X \、Y = yTWy之間的相關(guān)值P最大，
'E□表示期望；
[0010] 5)將相關(guān)系數(shù)P最大的通道的標(biāo)準(zhǔn)化后的信號(hào)作為心率信號(hào)。
[0011] 優(yōu)選的，所述信號(hào)模板為：Y = a lSin(23T*50*t/60) + a 2c〇s(23T*50*t/60)，t 取 與心率信號(hào)等長(zhǎng)的時(shí)間，a i，a 2為不能同時(shí)為〇的實(shí)數(shù)。
[0012] 優(yōu)選的，在步驟1)中，所述的臉部特定區(qū)域是指眉毛上部和嘴唇下沿為高度，臉 頰兩邊外側(cè)為寬度的長(zhǎng)方形。
[0013] 優(yōu)選的，在步驟3)中，所述的去線性化采用Mat Iab自帶的detrend函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0014] 由上述對(duì)本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0015] 1、本發(fā)明基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，相比于傳統(tǒng)的通過頻率分 析的方法，省去了復(fù)雜的獨(dú)立主成分分析和信號(hào)處理的過程，簡(jiǎn)化了測(cè)量的過程，因此縮短 了測(cè)量的用時(shí)。
[0016] 2、在測(cè)量的準(zhǔn)確性上，典型相關(guān)分析的方法在所測(cè)的數(shù)據(jù)上平均誤差。通過 Bland-Altman比值和差值的分析，大部分的數(shù)值都在一致性較好的區(qū)間內(nèi)，可以看出測(cè)量 值和真實(shí)值之間有很好的一致性。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明米集人臉視頻的不意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明測(cè)量區(qū)域的示意圖；
[0020] 圖4為三基色分離示意圖；
[0021] 圖5為采用本發(fā)明方法測(cè)試的受試者各個(gè)通道心率值與實(shí)際心率；
[0022] 圖6為綠色通道與實(shí)際心率比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下通過【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0024] 本發(fā)明的一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，其原理是：心臟搏動(dòng) 引起的皮膚血管的容積變化，血液對(duì)不同波段的光束的吸收作用不同，引起反射光的變化， 反射光能夠反映心血管活動(dòng)中心臟搏動(dòng)的時(shí)間變化及其周期，即心率信息。用攝像頭接收 反射光形成彩色視頻圖像，采集到的視頻中的每幀圖像在紅、綠、藍(lán)三顏色通道的亮度變化 形成原始數(shù)字信號(hào)，對(duì)原始數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行典型相關(guān)分析從而確定心率值。應(yīng)用于手機(jī) 等便攜式設(shè)備上能較快速地得到人體的心率值。
[0025] 由于心率信號(hào)呈現(xiàn)一定的周期性，以心率50次/分鐘為例，這里把心率50次/分 鐘的信號(hào)模版設(shè)立以正弦信號(hào)為例，考慮到相位的變化，這里考慮疊加一個(gè)余弦信號(hào)模版 公式如下：
[0026] Y = (sin (2 π*50*t/60)，cos (2 π*50*t/60))
[0027] 模版將以以下方式進(jìn)行線性組合：
[0028] a jsin (2 n *50*t/60) + a 2cos (2 n *50*t/60)
[0029] 其中t取為與心率信號(hào)等長(zhǎng)的時(shí)間，α p a 2是不能同時(shí)為0的實(shí)數(shù)。
[0030] 參照?qǐng)D1，其余步驟如下：
[0031] 1)采集人臉視頻，使用30幀/秒的攝像機(jī)（或手機(jī)）對(duì)人臉進(jìn)行拍攝，使人臉盡 可能多出現(xiàn)在鏡頭中（參照?qǐng)D2)，而后選定人臉視頻中的臉部特定區(qū)域作為測(cè)量區(qū)域（參 照?qǐng)D3)，再進(jìn)行ROI分幀提取。由于，之前的研究表明對(duì)同一受試者的四個(gè)不同部位（額頭 (ROI I)、R0I I中的一個(gè)小區(qū)域（R0I II)、局部頭發(fā)區(qū)域（ROI III)和整個(gè)頭部區(qū)域（R0I IV))對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)ROI I、ROI II和ROI IV差異不大，說明心率檢測(cè)對(duì)區(qū)域選擇的要求 不是非常嚴(yán)格，但對(duì)包括整個(gè)人臉區(qū)域測(cè)量效果較好且具有很高的辨識(shí)度。因此非接觸式 測(cè)量選定以人臉為主的部位作為測(cè)量區(qū)域。我們將ROI區(qū)域選取為眉毛上部和嘴唇下沿為 高度，臉頰兩邊外側(cè)為寬度的長(zhǎng)方形（可以適當(dāng)包括非臉部區(qū)域）。
[0032] 2)參照?qǐng)D4,對(duì)每幀提取出的ROI區(qū)域，進(jìn)行三基色分離，生成紅、綠、藍(lán)三通道圖 像，并對(duì)該幀圖像的各個(gè)通道圖像的所有像素值取均值，該均值作為該幀圖像在該通道的 信號(hào)值，從而生成測(cè)量區(qū)域圖像的三個(gè)通道的原始信號(hào)序列X r (t)、Xti (t)和Xb (t)。
[0033] 3)將三個(gè)通道的原始信號(hào)序列XR(t)，XJt)和XB(t)分別進(jìn)行去線性化，去線性 化采用Matlab自帶的detrend函數(shù)。由于心率信號(hào)呈波動(dòng)狀，去線性化后的原始信號(hào)需進(jìn) 行標(biāo)準(zhǔn)化（歸一化），確保每個(gè)通道的原始信號(hào)序列的幅度均在特定區(qū)間內(nèi)，而得到標(biāo)準(zhǔn)化 后的、：％_和1_，其中：.
X(t)表示去線性化后的原始信號(hào)序列值， 刃η表示原始信號(hào)序列的平均值，S表示原始信號(hào)序列的標(biāo)準(zhǔn)方差值。
[0034] 4)典型相關(guān)分析，考慮到一般情況下的心率范圍，這里我們?cè)O(shè)置了 50Ηζ-120Ηζ步 長(zhǎng)為IHz共71個(gè)模版信號(hào)，第1個(gè)的模版對(duì)應(yīng)于50Hz，以此類推第71個(gè)模版對(duì)應(yīng)于120Hz。 用測(cè)得的各個(gè)通道的原始信號(hào)序列分別與各個(gè)模版信號(hào)進(jìn)行典型相關(guān)計(jì)算，得到相關(guān)程度 最高的模版值。具體的：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后、\(〇與模板Y，其中模版為Y = (sin(2 π *50*t/60)，cos(2 π *50*t/60));分別尋求向量1與^，使得X，y在向量1和^上的投影 X = x\、Y = yTWy之間的相關(guān)值P最大，
E□表示期望；
[0035] 5)將相關(guān)系數(shù)P最大的通道的標(biāo)準(zhǔn)化后的信號(hào)作為心率信號(hào)。
[0036] 圖5為采用本發(fā)明方法測(cè)得的各個(gè)通道原始信號(hào)序列與實(shí)際心率值，從每一位受 試者測(cè)得的數(shù)據(jù)中，都將得到紅，綠，藍(lán)三個(gè)通道與各個(gè)模版間的相關(guān)值，取相關(guān)系數(shù)最大 的值作為測(cè)得心率信號(hào)。通過各個(gè)通道心率測(cè)量值（原始信號(hào)序列）與真實(shí)值的比較，可 以看出綠通道的值要明顯好于其它通道。圖6中的直線為斜率為1的實(shí)線，可以發(fā)現(xiàn)這種 方法在綠通道上測(cè)得的心率值基本都分布在接近直線的兩側(cè)，表明這兩組數(shù)據(jù)具有較好的 相關(guān)性。最終將綠通道的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)作為心率測(cè)量的通道。
[0037] 上述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此 構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)范圍的行為。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，其特征在于：預(yù)先建立心率信號(hào) 模版Y，其余步驟如下： 1) 采集人臉視頻，而后選定人臉視頻中的臉部特定區(qū)域作為測(cè)量區(qū)域，再進(jìn)行ROI分 幀提取； 2) 對(duì)每幀提取出的ROI區(qū)域，進(jìn)行三基色分離，生成紅、綠、藍(lán)三通道圖像，并對(duì)該幀圖 像的各個(gè)通道圖像的所有像素值取均值，該均值作為該幀圖像在該通道的信號(hào)值，從而生 成測(cè)量區(qū)域圖像的三個(gè)通道的原始信號(hào)序列XR(t)、Xe(t)和XB(t); 3) 將三個(gè)通道的原始信號(hào)序列XR(t)，Xe(t)和XB(t)分別進(jìn)行去線性化，再分別 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，確保每個(gè)通道的原始信號(hào)序列的幅度均在特定區(qū)間內(nèi)，而得到標(biāo)準(zhǔn)化后的原始信號(hào)序列的平均值，S表示原始信號(hào)序列的標(biāo)準(zhǔn)方差值； 4) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后l(t).^6Ct).、：??)與模板Y，分別尋求向量1與Wy,使得X，y在向量 1和^上的投影X=X\、Y= 7\之間的相關(guān)值P最大，5) 將相關(guān)系數(shù)P最大的通道的標(biāo)準(zhǔn)化后的信號(hào)作為心率信號(hào)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，其特征在 于：所述信號(hào)模板為：Y=alSin(2JT*50*t/60) +a2c〇s (2JT*50*t/60)，t取與心率信號(hào)等 長(zhǎng)的時(shí)間，ai，a2為不能同時(shí)為〇的實(shí)數(shù)。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，其特征在 于：在步驟1)中，所述的臉部特定區(qū)域是指眉毛上部和嘴唇下沿為高度，臉頰兩邊外側(cè)為 寬度的長(zhǎng)方形。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，其特征在 于：在步驟3)中，所述的去線性化采用Matlab自帶的detrend函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
【專利摘要】一種基于典型相關(guān)分析的非接觸式心率測(cè)量方法，步驟如下：1)采集人臉視頻，進(jìn)行ROI分幀提??；2)對(duì)每幀提取出的ROI區(qū)域，進(jìn)行三基色分離，生成紅、綠、藍(lán)三通道圖像，并對(duì)該幀圖像的各個(gè)通道圖像的所有像素值取均值，該均值作為該幀圖像在該通道的信號(hào)值，從而生成測(cè)量區(qū)域圖像的三個(gè)通道的原始信號(hào)序列；3)將三個(gè)通道的原始信號(hào)序列分別進(jìn)行去線性化和標(biāo)準(zhǔn)化；4)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后信號(hào)序列與模板Y，分別尋求向量Wx與Wy,使得x,y在向量Wx和Wy上的投影X＝xTWx、Y＝y(tǒng)TWy之間的相關(guān)值ρ最大；5)將相關(guān)系數(shù)ρ最大的通道的標(biāo)準(zhǔn)化后的信號(hào)作為心率信號(hào)。本發(fā)明省去了復(fù)雜的獨(dú)立主成分分析和信號(hào)處理的過程，簡(jiǎn)化了測(cè)量的過程，因此縮短了測(cè)量的用時(shí)。
【IPC分類】G06K9/00, G06K9/46
【公開號(hào)】CN105046209
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510373448
【發(fā)明人】閆錚, 俞謝益
【申請(qǐng)人】華僑大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日